气象百科
article冰晶(ice crystal)任何一种冰的宏观结晶体,包括六角柱、六角板、枝状、冰针等以及它们的复合体。
冰的晶格是六角对称的,随着环境温度和水汽条件的变化,冰晶可以长成很复杂的形状。
冰晶在空气中的下落速度同它的形状和大小有关,但一般很小,不超过30-70cm/s,在自由大气中冰晶构成卷云,近地面大气中严寒时出现的冰晶称为冰针。冰晶,一般是过冷却水滴或过饱和水汽通过冰核的作用冻结或凝华而成。
大气中自然冰核一般并不丰富,所以在温度低达-15℃的过冷云中往往只有极少量的冰晶。
在有冰晶和过冷却水滴共存的云中,由于冰面的饱和水汽压比过冷却水面的饱和水汽压小,当空气中的实有水汽压介于两者之间,即大于冰面饱和水汽压而又小于水面饱和水汽压时,过冷却水滴会因蒸发而减小,水分子不断由水滴向冰晶上转移,冰晶则因凝华而增大。
冰晶和过冷水滴相处在一起的机会是很多的,如果当时的实有水汽压处于两者的饱和水汽压之间,就会有冰和水之间水汽转移现象,在这种情况下,实有水汽压比水滴的饱和水汽压小,对水滴来说是未饱和的,水滴就出现蒸发。但实有水汽压比冰晶水汽压大,对于冰晶来说是过饱的,冰晶上要出现凝华。因此,水滴不断蒸发而减小,冰晶因不断凝华而增大,这种由于冰水共存引起冰水间的水汽转移的作用称为冰晶效应。冰晶效应的程度,与水面上和冰面上的饱和水汽压的差值有关,差值越大,冰晶效应越显著。这种效应是混合云形成降水的重要理论之一。
极小的冰晶和0℃以下的过冷却水滴组成云层,水气不断升腾与冰晶凝华,水温达-5℃时,无数根六角形的冰针就形成了。这是冰晶最稳定的形状。同时,凝华作用还在继续进行。如果冰晶周围水气多,6个角增长很快,就形成星状;假如冰晶四周水气很少,6角不如两个底面增长快,便形成柱状;倘若水气适中,则形成片状雪花。如果地面气温较高,雪降落过程中边融化边碰撞合并为水滴,最终成为降雨。
冰晶繁生(ice multiplication)云中冰晶或冻滴等冰相粒子,由于破碎等过程产生新的冰晶个体的各种过程。云中冰晶除可通过冰核活化相交过程而产生外,也可通过已经生成的冰相粒子的破碎而增加其浓度,后者称为冰晶繁生或冰晶次生的过程。冰晶繁生过程,主要有三种:(1)脆弱冰晶的机械破碎,冰碎片就是次生冰晶。实际观测中,经常发现有冰晶碎片和残缺的冰晶,枝状、针状等形状的冰晶,更加容易破碎;(2)大水滴冻结时破碎产生次生冰晶。实验表明在较低温度下,大水滴(一般直径大于100μm)冻结时有一部分会破碎产生次生冰晶,冰晶繁生因子(冻滴和次生冰晶比)估计约为2;(3)冰相粒子同过冷云滴撞冻(淞附)时产生次生冰晶。赫莱脱一马索鲁的实验得出,当冰相粒子同过冷云滴在温度为-3~-8℃,云滴直径大于24μm,碰撞速度为l~3m/s时产生的次生冰晶比较显著,最多的是250个撞冰大云滴产生1个次生冰晶。由于云滴浓度很大,所以这一过程的作用相当显著。该过程又称为“赫莱脱一马索普”冰晶繁生过程。很多实际观测,也证实了这个过程对云中冰晶浓度的作用。冰晶繁生过程使云中冰晶浓度有时超过该云最低温度下冰核浓度的几倍以上,甚至可达千倍,在温度较高的云中尤为显著,这对有些云的降水过程有显著影响。冰晶繁生过程,对人工影响天气也有重要影响:(1)自然冰晶的增多使冷云人工催化的潜力减少;(2)人工冰晶可能通过繁生过程而增多,因此在有些条件下可以减少催化剂的用量。
冰晶过程(ice-crustal process)也称伯杰龙[-芬德孙]过程。在冰晶和过冷水滴共同组成的混合云中,产生降水粒子的一种[理论]过程。当温度低于0℃时,水汽相对于冰面的平衡水汽压低于水汽相对于水面的平衡水汽压。因此,在冰晶和水滴的混合云中,如果含水量足够大,则水滴将有所蒸发、凝华而使冰晶增大。 往往云中水滴浓度比冰晶大102至106倍,于是大量水滴的水分转移到少数冰晶上,使冰晶长得很大,成为雪晶下落,再经过撞冻、融化、蒸发等变化过程下落到地面。这一理论首先由伯杰龙在1933年提出,以后由芬德孙进一步发展。根据这一理论,谢斐尔在1946年对过冷云播撒干冰,制造人工冰晶,促进冰晶过程获得成功,从而开创了用播云技术进行人工影响天气的现代纪元。
冰晶化(glaciation)是云物理中指云粒子从水滴变为冰晶的转化过程。对云体来说,则指云中有相当一部分水滴转化为冰晶,从而使云体外观发生变化。